光场调控是光学领域重要的研究课题。在空域上,主要涉及相位和振幅的常规调控手段已经得到了深入的研究发展,而光场的偏振调控正成为当前研究热点之一。偏振作为光的內禀特性,在光学科学和光学工程的各个领域中起着重要的作用。与空间均匀偏振态的标量光束不同,偏振和空间模式具有不可分离性的矢量光束由于其独特的偏振特性而受到人们的广泛关注,并广泛应用于紧聚焦、光学捕获和操纵、超分辨技术、光学计量学和激光材料加工等领域。此外,矢量光束在光通信和量子信息中也有潜在的应用前景。通过利用光子的自旋和轨道角动量两个自由度,矢量光束可用于密集编码、量子密钥分发(QKD)、量子隐形传输、纠缠交换和多自由度量子存储器。矢量光场作为实现相位和偏振调控的典型代表,其广泛的应用前景进一步促进了矢量光场的描述方式和产生方法的发展。一些特殊的拓扑几何体相继被提出以更加直观具体地描述矢量光场的偏振和相位的演变,如高阶庞加莱球(HOP)、杂化庞加莱球(Hy PS)等。在产生方式上,一些特定的光学元件可用于直接产生特定的矢量光束,如亚波长介质光栅、q板、数字微透镜、等离激元超表面等。此外,光学涡旋本征态在干涉仪中的操控为矢量光束的生成提供了更大的便利性。这些方法为生成不同的矢量光束带来了很大的方便,极大地促进了矢量光束的应用和发展。本论文基于光学涡旋本征态的操控,对矢量光场的生成和调控进行了实验和理论研究。主要研究内容如下:1.第一章概述了偏振态的四种表示方法;介绍了常见的涡旋光束的生成方式;概述了矢量光场的应用背景与研究进展,并详细介绍了高阶庞加莱球、杂化庞加莱球和广义庞加莱球等三类常见矢量光场偏振态的描述方法。2.第二章主要概述了矢量光场常见的生成方法,介绍了利用动态相位、几何相位和腔内直接生成矢量光束的具体方法以及优缺点,对在矢量光场的生成中常用的元件如空间光调制器和q板等做了简要介绍;模拟了双光束同轴叠加生成的高阶庞加莱光场和杂化庞加莱光场,以及三光束同轴干涉生成的矢量光场。根据模拟结果对高阶庞加莱光场、杂化庞加莱光场和其它类型矢量光场的偏振态、总光强和分量场光强进行了详细分析。3.第三章,我们设计了实验装置来操纵光学涡旋本征态以生成任意的高阶庞加莱光束,其中涡旋的生成装置为螺旋相位板(SPP)。线偏振入射光经过螺旋相位板(SPP)后转变为带有一定拓扑荷的线偏振涡旋光束。该光束由偏振分光棱镜分为两个偏振特性互相垂直的线偏振涡旋光束。它们分别在Mach-Zehnder干涉系统的两路中传输,用于形成两个共轭的总角动量本征态。Dove棱镜和四分之一波片被引入以使两路中的光束成为一对具有相反偏振手性和相反涡旋拓扑荷的共轭本征态。两个本征态之间的相位差与振幅比可以分别通过控制相位补偿板与半波片而得到调整,以生成高阶庞加莱球特定纬线或特定经线上任意点的矢量光束。两个共轭的圆偏振光学涡旋同轴叠加并经过傅里叶变换后,可以转化为具有高质量和较强稳定性的柱矢量光束。螺旋相位板的使用使矢量光束的产生更加简便,并具有高效率和低成本的优点。这为矢量光束的研究和应用提供了更多的方便,对相关领域具有重要意义。此外,我们基于实验系统模拟了典型矢量光束的生成。4.第四章中,我们利用所设计的矢量光束生成装置,在实验上通过调节相位补偿板的倾斜角和半波片的方位角生成了高阶庞加莱球上任意点处所代表的矢量光束,所得的实验结果与模拟结果一致。我们实验上演示了不同类型的高阶庞加莱光束的产生,包括高阶庞加莱球纬线和经线上的光束以及|l|=1和|l|=2的光学贝尔态。通过级联SPP的方式我们还得到了更高阶的高阶庞加莱光束,即16阶的径向矢量光束。我们对同一经线上不同点高阶庞加莱光束分量场光强进行了数值分析,并利用理论公式对其进行曲线拟合,证明了该矢量光束生成装置可以精确地实现高阶庞加莱球上某一点的矢量光束。我们在实验上实现了高质量、高精度的矢量光束,在实际中证明了该生成装置的灵活性、可行性和高效性。5.第五章主要为硕士期间的主要工作总结和进一步的工作展望。